REGULATOARE AUTOMATE

REGULATOARE AUTOMATE

1.1. Generalitati

Regulatorul automat are rolul de a prelucra operational semnalul de eroare ε (obtinut in urma comparatiei liniar - aditive a marimii de intrare r si a marimii de reactie y_r in elementul de comparatie si de a da la iesire un semnal de comanda u pentru elementul de executie conform fig. 1.1

Informatiile curente asupra procesului automatizat se obtin cu ajutorul traductorului de reactie si sunt prelucrate de regulatorul automat in conformitate cu o anumita lege care defineste algoritmul de reglare automata. Algoritmii de reglare (legile de reglare) conventionali utilizati in mod curent in reglarea proceselor automatizate (tehnologice) sunt de tip proportional - integral - derivativ (PID).

Implementarea unei anumite legi de reglare se poate realiza printr-o varietate destul de larga a constructiei regulatorului, ca regulator electronic, pneumatic, hidraulic sau mixt.

Cu toate ca exista o mare varietate de regulatoare, orice regulator va contine urmatoarele elemente componente (fig. 1.2): amplificatorul (A), elementul de reactie secundara (ERS) si elementul de comparare secundara (ECS).

a)     Amplificatorul (A) este elementul de baza. El amplifica marimea ε cu un factor KR deci realizeaza o relatie de tipul u(t) = KRε1(t) unde KR reprezinta factorul de amplificare al regulatorului.

b)     Elementul de reactie secundara ERS) primeste la intrare marimea de comanda u (de la iesirea amplificatorului) si elaboreaza la iesire un semnal y_r denumit marime de reactie secundara.

c)     Elementul de comparare secundara (ECS) efectueaza continuu compararea valorilor abaterii ε si a lui y_r dupa relatia ε (t) = ε(t) - y_r(t)

ERS este de obicei un element care determina o dependenta proportionala intre y_r si u.

Regulatorul poate avea o structura mai complicata. De exemplu la unele regulatoare exista mai multe etaje de amplificare, la altele exista mai multe reactii secundare necesare obtinerii unor legi de reglare mai complicate.

1.2. Structura regulatoarelor automate

Blocul regulator este alcatuit din mai multe parti componente interconectate functional care permit realizarea atat a legii de reglare propriu-zise (exprimata analitic prin dependenta dintre marimea de iesire si marimea de intrare) cat si a unor functii auxiliare de indicare, semnalizare a depasirii valorii normale pentru anumite marimi, desaturare, trecere automat-manual.

Legile de reglare clasice (de tip P, PI, PID) se realizeaza in cadrul regulatoarelor cu actiune continua cu ajutorul circuitelor operationale cu elemente pasive instalate pe calea de reactie a unor amplificatoare operationale.

Daca factorul de amplificare KA al blocului amplificator este suficient de mare, comportarea intrare-iesire a regulatorului este determinata numai de elementele si structura circuitului de reactie operationala.

Prin alegerea convenabila a relatiei de corectie (care prezinta o anumita functie de transfer HC(s)) se obtin diferiti algoritmi de reglare. Pentru legile de reglare tipizate functiile de transfer ideale au expresiile:

Regulator P: HR(s) = KR

Regulator PI: HR(s) = KR(1+1/Tis)   

Regulator PID: HR(s) = KR(1+1/T_is+T_ds+9T_d/T_i)

unde:

KR reprezinta factorul de amplificare;

T_i - constanta de timp de integrare;

T_d -constanta de timp de derivare iar 9 - factorul de interinfluenta.

1.3. Clasificarea regulatoarelor

Se poate face dupa mai multe criterii.

a)     In functie de sursa de energie exterioara folosita, acestea se clasifica in regulatoare directe - atunci cand nu este necesara o sursa de energie exterioara, transmiterea semnalului realizandu-se pe seama energiei interne si regulatoare indirecte - cand folosesc o sursa de energie exterioara pentru actionarea elementului de executie.

b)     Dupa viteza de raspuns exista:

regulatoare pentru procese rapide folosite pentru reglarea automata a instalatiilor tehnologice care au constante de timp mici (mai mici de 10 s);

regulatoare pentru procese lente folosite atunci cand constantele de timp ale instalatiei sunt mari (depasesc 10 sec).

c)     In functie de particularitatile de constructie si functionale avem clasificarile:

1) - Dupa tipul actiunii:

regulatoare cu actiune continua sunt cele in care marimile ε(t) si u(t) variaza continuu in timp: daca dependenta dintre cele doua marimi este liniara, regulatorul se numeste liniar iar daca este neliniara, regulatorul este neliniar.

regulatoare cu actiune discreta sunt cele la care marimea ε(t) deci si u(t) reprezinta un tren de impulsuri.

2) - Dupa caracteristicile constructive exista:

regulatoare unificate utilizate pentru reglarea a diferiti parametrii (temperatura, presiune);

regulatoare specializate utilizate numai pentru o anumita marime.

3) - Dupa agentul purtator de semnal exista:

regulatoare electronice;

regulatoare electromagnetice;

regulatoare hidraulice;

regulatoare pneumatice.

1.4. Constructia regulatoarelor automate

1.4.1. Regulatoare electronice

Regulatoarele electronice sunt realizate intr-o diversitate larga de tipuri constructive si functionale ca regulatoare unificate si mai rar ca regulatoare specializate, varianta unificata prezentand avantaje esentiale si anume: permite o mare elasticitate in realizarea celor mai complexe scheme cu un numar mic de blocuri componente interschimbabile, conduce la o tipizare si uniformizare a panourilor de automatizare deci si la reducerea pretului si la imbunatatirea conditiilor de exploatare. Constructia lor difera in functie de utilizarea lor pentru reglarea proceselor rapide sau lente, unde trebuie sa asigure constante de timp compatibile cu dinamica procesului.

S-au realizat regulatoare electronice cu circuite integrate atat pentru procese rapide (seria de regulatoare IBR) cat si pentru procese lente (sistemul unificat SEROM).

Blocurile de reglare sunt incadrate in sisteme de echipamente unificate de reglare care cuprind: blocuri de obtinerea informatiei din proces (traductoare, adaptoare de semnal etc.), blocuri de prelucrare a informatiei (regulatoare) precum si blocuri de cuplare la elemente de executie (convertoare de semnal), blocuri auxiliare (inregistratoare, indicatoare, elemente de calcul etc.).

Specific echipamentelor unificate este prezenta semnalului unificat (de regula pentru procese lente curent continuu 2 - 10 mA, 4 - 20 mA, iar pentru procese rapide tensiunea +10 V0 - 10 V) la intrarile - iesirile blocurilor de reglare.

Principiul de realizare a regulatoarelor electronice consta in utilizarea unor amplificatoare operationale prevazute cu circuite de corectie in intrare (serie) si/sau reactie (derivatie).

Alegand corespunzator structurile circuitelor de corectie precum si valorile componentelor (rezistente si condensatoare) rezulta diferite legi de reglare, precum si posibilitatea realizarii parametrilor de acordare doriti. Aparitia si proliferarea circuitelor integrate pe scara medie si larga au determinat o tendinta tot mai accentuata de dezvoltare a regulatoarelor numerice cu microprocesoare si implementarea legilor de reglare prin algoritmi de reglare numerica.

a) Regulatoare electronice pentru procese rapide

Procesele rapide sunt acele procese tehnologice caracterizate prin constante de timp pana la 10 - 20 s. Exemple tipice constituie procesul din domeniul actionarilor electrice (reglari de pozitie, tensiune, viteza, curent etc.) procesele din electroenergetica (reglari de tensiune, frecventa, putere) sau electro-hidraulica (reglarea turbinelor hidraulice).

Au fost realizate mai multe sisteme unificate de reglare a proceselor rapide:

sistemele UNIDIN si UNIDIN - S bazate pe amplificatoare operationale cu tranzistoare cu Ge si respectiv Si (anii 1960 - 1970),

seria de regulatoare IBR tot cu componente discrete dar cu performanta si complexitate superioara (1975),

iar in prezent seria de regulatoare IBR cu amplificatoare integrate βA 741.

Principalele legi de reglare conventionale sunt legile PI, PD si PID.

Schemele simplificate sunt conform tabelului de mai jos.

b) Regulatoare electronice pentru procese lente

Procesele lente se caracterizeaza prin constante de timp mai mari de 10 - 20 s, exemple tipice fiind procesele din industria chimica, petrochimica, termoenergetica (reglari de temperatura, nivel, presiune, concentratii etc.).

Regulatoarele automate trebuie sa asigure obtinerea unor constante de timp de integrare (T_i) si derivare (TD) mari, de asemenea datorita faptului ca semnalele au variatii foarte lente in timp, problema derivei amplificatorului este importanta, ceea ce implica dificultati constructive. Rezolvarea acestor probleme a constat (pana la aparitia amplificatoarelor integrate cu performante superioare) in folosirea unui amplificator de c.c. cu modulare - amplificare in c.a. - demodulare.

c) Regulatoare numerice cu microprocesoare

Regulatoarele numerice prezinta o serie de avantaje legate de posibilitatile superioare de prelucrare si memorare a datelor, de folosire prin multiplexare pentru mai multe bucle de reglare si de realizare a unor algoritmi de conducere evoluati. Tendinta actuala in dezvoltarea regulatoarelor numerice este utilizarea microprocesoarelor in structuri de microcalculatoare - regulatoare (MCR) specializate. Structura elementara a unui microcalculator - regulator utilizand un microprocesor este prezentata in fig. 1.3.

Marimile culese din proces sunt convertite in marimi numerice si transmise microcalculatorului (stocate in memoria RAM) in vederea prelucrarii. Prelucrarea acestor marimi se realizeaza in conformitate cu programul memorat in memoria PROM (memorie programabila) si cu valori ale parametrilor ce intervin in algoritmul de reglare ce sunt memorate in memoria RAM. Rezultatul prelucrarii este transmis spre proces, dupa ce se realizeaza conversia numeric-analogica a marimii de comanda. Conversatia operatorului cu MCR se realizeaza prin intermediul sistemului de comunicare. Operatorul, avand asigurata prin intermediul acestui sistem accesibilitatea la diverse variabile ce intervin in cadrul microcalculatorului, are posibilitatea de a configure diverse structuri de bucle de reglare cu diversi algoritmi de reglare ce sunt implementati in memoria EPROM a microcalculatorului. Pe un display, operatorul poate urmari evolutia parametrilor de interes in cadrul buclelor de reglare.

1.4.2. Regulatoare pneumatice

Sunt destinate, in principal, conducerii proceselor lente si prezinta avantaje (in foarte multe cazuri reprezinta o solutie unica) fata de alte categorii de echipamente in medii cu pericol de explozie si incendii.

In cadrul aparaturii de automatizare pneumatice, transmiterea si prelucrarea informatiei se face cu ajutorul aerului sub presiune, semnalul fiind unificat in domeniul 0,2 - 1 bari.

Clasificarea regulatoarelor pneumatice se face, in general, dupa particularitatile constructive si functionale si anume:

dupa modul in care se realizeaza elementul de comparatie deosebim regulatoare cu compensarea deplasarilor si regulatoare cu compensarea fortelor (momentelor);

dupa modul de instalare exista regulatoare de panou si regulatoare de camp (instalate langa instalatia tehnologica);

dupa caracteristicile constructive se realizeaza regulatoare cu burdufuri in linie sau in cruce.

1.4.3. Regulatoare hidraulice si electrohidraulice

Dezvoltarea tehnologiei hidraulice si electrohidraulice de automatizare a fost determinata de necesitatea obtinerii unor echipamente care sa ofere puteri mari si foarte mari la iesire, usor reglabile in conditiile unor limitari severe ale gabaritului si greutatii. In cadrul echipamentelor hidraulice se foloseste ca mediu purtator de energie si informatie un fluid sub presiune, de cele mai multe ori uleiul mineral. Comportarea dinamica a elementelor hidraulice si electrohidraulice se caracterizeaza prin constante de timp de ordinul milisecundelor, fapt care le confera caracterul de procese rapide.

Din punct de vedere structural, regulatoarele hidraulice sunt alcatuite din aceleasi blocuri componente ca si cele electronice sau pneumatice, dar realizate cu componente hidromecanice specifice noilor conditii de transmitere si prelucrare a informatiei. Gradul de utilizare a regulatoarelor hidraulice este extrem de mare astazi, incepand cu aplicatiile din industria constructoare de masini, industria metalurgica si pana la aplicatiile militare sau tehnica maritima sau aerospatiala.

O particularitate a acestor regulatoare este faptul ca legile de reglare se realizeaza in cadrul unor structuri care includ si elementul de executie hidraulic (de tip integral) folosind retele de corectie corespunzatoare mecano-hidraulice sau electromecanice.

Regulatoarele hidraulice moderne folosesc, pentru amplificarea semnalelor, amplificatoare hidraulice cu unul sau mai multe etaje de amplificare, ultimul etaj fiind, in general, un amplificator cu sertar care asigura puterea necesara elementului de executie.

Simplificat, structura regulatoarelor hidraulice este prezentata in fig. 1.4.

Cu ajutorul structurii din fig. 1.4 se pot realiza legi de reglare de tip P, PI sau PID prin alegerea corespunzatoare a circuitului de corectie mecano-hidraulic.

Functia de transfer are forma:

HR(s) = m(s)/ε(s)

Regulatoarele electrohidraulice s-au dezvoltat ca urmare a necesitatii de obtinere a unor performante superioare in cadrul sistemelor de reglare si conducere automata.

Prin structura si functionalitatea lor, aceste regulatoare cumuleaza avantajele regulatoarelor electronice si a celor hidraulice, oferind solutii moderne problemelor de reglare automata. Datorita distributiei functiilor intre diferitele parti ale regulatorului a fost posibila realizarea atat a legilor clasice de reglare (P, PI, PID) cat si a altor algoritmi de conducere evoluati prin utilizarea unor relatii functionale corespunzatoare intr-un mod mult mai simplu si cu o elasticitate mult mai mare decat la regulatoarele mecano-hidraulice.

Schema de principiu a acestor regulatoare este conform fig. 1.5.